Mục đích: Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X đƣợc ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu. Ngoài ra nó còn đƣợc dùng để xác định động học của quá trình chuyển pha, kích thƣớc hạt trung bình của vật liệu, sự tồn tại các pha. Với phƣơng pháp này ta có thể xác định khoảng cách giữa các lớp sét, mức độ trật tự của lỗ xốp.
Nguyên tắc: Mạng tinh thể đƣợc xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khi chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lƣới tinh thể thì mạng lƣới này đóng vai trò nhƣ một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Các nguyên tử, ion này đƣợc phân bố trên các mặt phẳng song song. Tia X dùng trong nghiên cứu cấu trúc có bƣớc sóng lAo- 50Ao. Khi chiếu một chùm tia X đơn sắc lên hạt tinh thể, ứng với một bƣớc sóng, tia X sẽ phản xạ từ hai mặt mạng song song cạnh nhau đƣợc mô tả nhƣ Hình 2.2 sau:
30
Mối liên hệ giữa độ dài khoảng cách hai mặt phẳng song song (d), góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ () và bƣớc sóng () đƣợc biểu thị bằng phƣơng trình Vulf–Bragg:
2dsin = n
Dựa vào vị trí và cƣờng độ các peak nhiễu xạ trên giản đồ ghi đƣợc của mẫu để xác định thành phần pha, các thông số mạng lƣới tinh thể, khoảng cách giữa các mặt phản xạ trong tinh thể. Đối với vật liệu TiO2, trên giản đồ nhiễu xạ tia X xuất hiện pick đặc trƣng của pha anatase và rutile lần lƣợt ở góc Bragg là 12,680 và 13,730. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, ngƣời ta có thể tính đƣợc kích thƣớc trung bình của các hạt TiO2 theo công thức Debye – Scherrer :
cosθ . β λ . 0,89 r Trong đó r: kích thƣớc hạt trung bình λ: bƣớc sóng cuvet bằng đồng (λ1,5406Ao) β: độ rộng nửa vạch phổ cực đại
θ: góc đo của pic cực đại
Nhược điểm: Phƣơng pháp XRD cũng có một số nhƣợc điểm:
- Không phát hiện đƣợc các chất có hàm lƣợng nhỏ.
- Tuỳ theo bản chất và mạng lƣới không gian mà độ nhạy phân tích định tính dao động trong khoảng 1-30%.
Thực nghiệm: Phổ XRD đựơc ghi trên máy D8 – Advance 5005 – tại Khoa
Hoá học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN. Điều kiện ghi: bức xạ kα
của anot Cu (1.5406 Å), nhiệt độ 25oC, góc quét 2θ tƣơng ứng với mỗi chất, tốc độ quét 0,02o/s.